基于隨機孔隙模型的CFRP孔隙率超聲檢測研究.pdf

1、孔隙是碳纖維增強復(fù)合材料(Carbonfiberreinforcedplastics，CFRP)中最常見并且對使用性能有重要影響的缺陷。準(zhǔn)確可靠的孔隙率(P=1％～5％)無損檢測技術(shù)成為航空航天領(lǐng)域的迫切工程需求。超聲衰減法原理明確、實現(xiàn)簡單而且受纖維含量等的影響較小，在孔隙率無損檢測應(yīng)用中受到較多關(guān)注。盡管國內(nèi)外研究學(xué)者圍繞CFRP孔隙率衰減法檢測的實驗測試及理論分析開展了大量工作，但至今尚未建立能用于工程實踐的孔隙率無損檢測技術(shù)。其

2、中重要原因之一，在于未能建立能夠客觀描述含孔隙復(fù)合材料彈性性能的理論模型，難以給出孔隙與超聲波散射衰減系數(shù)之間的本質(zhì)相關(guān)性?，F(xiàn)有理論模型在計算超聲散射衰減時通常將孔隙簡化為規(guī)則的球形和/或圓盤形，再推導(dǎo)波動方程的解析解。此法雖然具有簡單、快速等特點，但其引入的假設(shè)偏離了實際復(fù)合材料中孔隙的形貌特征，導(dǎo)致理論分析與試驗測試結(jié)果之間存在明顯偏差。 為研究CFRP孔隙與超聲波散射衰減系數(shù)之間的本質(zhì)相關(guān)性，減小理論值與實驗值間的偏差，本

3、文從改善CFRP孔隙的數(shù)學(xué)描述手段入手，建立了以隨機過程為理論基礎(chǔ)、以實測CFRP孔隙統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依托的隨機孔隙模型。該模型源于地質(zhì)學(xué)中的隨機介質(zhì)理論，本文利用極值搜索法對其進行了適應(yīng)性改造，并利用正交試驗分析了各構(gòu)造參數(shù)對隨機孔隙模型結(jié)果的影響，進而利用實測CFRP孔隙統(tǒng)計數(shù)據(jù)為參照，對重要構(gòu)造參數(shù)(自相關(guān)長度a與b、自相關(guān)長度比r=a/b及分區(qū)邊長D)進行了參數(shù)優(yōu)化。由于采用了實測孔隙統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隨機孔隙模型較傳統(tǒng)方法，能夠更準(zhǔn)確地利用

4、數(shù)學(xué)手段描述CFRP孔隙特征，這為研究CFRP孔隙對超聲波的散射作用提供了理論支持。 本文利用時域有限差分法(FiniteDifferenceTimeDomain，F(xiàn)DTD)，對基于隨機孔隙模型生成的240個CFRP截面(孔隙率P=0.03％～4.96％)進行了數(shù)值計算，得到了超聲衰減系數(shù)與孔隙率間的理論關(guān)系曲線。 在實驗方面，利用底板反射法對孔隙率P=0.03％～4.96％的預(yù)浸料熱壓成型碳纖維單向增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合板